(57)【要約】【課題】レーザビーム溶接技術及びアーク溶接技術を同時に利用する溶接方法及び溶接装置を提供すること。【解決手段】溶接装置は、加工物の隣接する表面上に第１のレーザビーム投射部を生成し、第１のレーザビーム投射部を接合領域に沿って移動させかつ接合領域に侵入させるために、２以上の加工物間の接合領域上へと投射される第１のレーザビームを発生する。本装置はまた、溶融溶接プールを形成するために、第１のレーザビーム投射部を取り囲みかつ接合領域に沿って第１のレーザビーム投射部とともに移動するアーク投射部を生成するために電気アークを発生する。それに加えて、本装置は、アーク投射部によって取り囲まれ、溶接接合部の溶融トーを画成するように固化する溶接プールの一部と相互に作用するように接合領域から横方向に離れて間隔を空けて設けられる横方向レーザビーム投射部を生成する一対の横方向レーザビームを発生する。【選択図】図７
2013240830.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工物の接合面を金属接合することによって２以上の前記加工物を一緒に溶接する方法であって、
前記加工物の前記接合面が互いに向かい合い、接合領域がその間に画成されるように前記加工物を一緒に設置するステップと、
前記加工物の隣接する表面上に第１のレーザビーム投射部を生成し、前記第１のレーザビーム投射部を前記接合領域に沿って移動させかつ前記接合領域に侵入させるために、前記接合領域上へと第１のレーザビームを投射するステップと、
前記第１のレーザビーム投射部を取り囲みかつ前記接合領域に沿って前記第１のレーザビーム投射部とともに移動するアーク投射部を生成するために前記加工物の前記隣接する表面上へと電気アークを向けるステップであって、前記第１のレーザビーム投射部及び前記アーク投射部が前記接合領域内に溶接接合部を形成するように固化することが可能な溶融溶接プールを形成する、電気アークを向けるステップと、
前記アーク投射部によって取り囲まれかつ前記第１のレーザビーム投射部の後ろで前記接合領域に沿って前記アーク投射部とともに移動する横方向レーザビーム投射部を生成するために一対の横方向レーザビームを投射するステップであって、前記横方向レーザビーム投射部が前記溶融溶接プールの横方向端部を画成する前記溶融溶接プールの一部と相互に作用しかつ影響を及ぼす、投射するステップと、その後、
前記接合領域内に前記溶接接合部を形成し、溶接した組立品を作るために前記加工物を金属接合するために前記溶融溶接プールを冷却するステップであって、前記溶接接合部が一様な横方向溶接ビード端部及び溶接ビードトーを有し、一様な横方向端部を画成する、冷却するステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記第１のレーザビームが、前記横方向レーザビームの各々よりも大きな出力レベルである、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記第１のレーザビームが、約２ｋＷ〜約２０ｋＷの出力レベルである、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記横方向レーザビームが、異なる出力レベルである、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記第１のレーザビームが、前記接合領域のところで前記加工物の板厚方向に侵入し、前記横方向レーザビームが、前記接合領域のところで前記加工物の前記板厚方向に侵入しない、請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記アーク投射部の中心及び前記第１のレーザビームの中心が、溶接すべき前記接合部に沿って約２ｍｍ〜約２０ｍｍ離れて置かれる、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記横方向レーザビームの各々が、１０ｍｍよりも小さな距離だけ前記アーク投射部の中心から間隔を空けて設置される、請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記第１のレーザビーム及び前記横方向レーザビームが、前記溶接接合部に沿って互いに平行である、請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記第１のレーザビーム及び前記横方向レーザビームが、前記加工物の前記隣接する表面に対して約７０〜約１１０度の角度で投射される、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記溶融溶接プールが、溶融した軟鋼、ステンレス鋼及び低合金鋼よりも低い流動性及び低下した濡れ性を示す溶融した材料である、請求項１記載の方法。
【請求項１１】
前記溶融した材料が、ニッケル系合金である、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記溶接した組立品が、発電機用構成部品、航空宇宙用構成部品、インフラストラクチャ用構成部品、医療用構成部品、又は産業用構成部品である、請求項１記載の方法。
【請求項１３】
前記溶接した組立品が、風力タービン塔の構成部品である、請求項１記載の方法。
【請求項１４】
接合面間に接合領域を画成するために、互いに向かい合った加工物の接合面を金属接合することによって２以上の前記加工物を一緒に溶接するための装置であって、
前記加工物の隣接する表面上に第１のレーザビーム投射部を生成し、前記第１のレーザビーム投射部を前記接合領域に沿って移動させかつ前記接合領域に侵入させるために、前記接合領域上へと第１のレーザビームを投射するための手段と、
前記接合領域内に溶接接合部を形成するように固化することが可能な溶融溶接プールを形成するために、前記第１のレーザビーム投射部を取り囲みかつ前記接合領域に沿って前記第１のレーザビーム投射部とともに移動するアーク投射部を生成するために、前記加工物の前記隣接する表面上へと電気アークを向けるための手段と、
前記アーク投射部によって取り囲まれ、前記接合領域に沿いかつ前記第１のレーザビーム投射部の後ろで前記アーク投射部とともに移動する横方向レーザビーム投射部を生成するために、一対の横方向レーザビームを投射するための手段であって、前記横方向レーザビームを投射するための前記手段が前記横方向レーザビーム投射部を前記接合領域から横方向に離れて間隔を空けて設置する、投射するための手段と
を備えた装置。
【請求項１５】
前記第１のレーザビームを投射するための前記手段及び前記横方向レーザビームを投射するための前記手段が、前記横方向レーザビームの各々よりも大きな出力レベルで前記第１のレーザビームを生成するように動作する、請求項１４記載の装置。
【請求項１６】
前記横方向レーザビームの各々が、１０ｍｍ未満の距離だけ前記アーク投射部の中心から間隔を空けて設置される、請求項１４記載の装置。
【請求項１７】
前記第１のレーザビーム及び前記横方向レーザビームが、前記溶接接合部に沿って互いに平行である、請求項１４記載の装置。
【請求項１８】
前記第１のレーザビーム及び前記横方向レーザビームが、前記加工物の前記隣接する表面に対して約７０〜約１１０度の角度で投射される、請求項１４記載の装置。
【請求項１９】
加工物の接合面が互いに向かい合いかつ接合領域がその間に画成されるように、２以上の加工物の接合面を一緒に金属接合する溶接接合部であり、前記溶接接合部が一様な横方向溶接ビード端部及び溶接ビードトーを有し、一様な横方向端部を画成する溶接接合部であって、
前記加工物の隣接する表面上の第１の領域であり、前記第１の領域が、前記隣接する表面上に第１のレーザビーム投射部を生成するために前記接合領域及び前記隣接する表面上へと第１のレーザビームを投射すること、並びに前記第１のレーザビーム投射部を取り囲むアーク投射部を生成するために前記隣接する表面上へと電気アークをやはり向けることによって形成される、第１の領域と、
前記アーク投射部によって取り囲まれた横方向レーザビーム投射部を生成するために、前記第１の領域の第１の端部と接触し、前記加工物のうちの第１のものの前記隣接する表面上へと横方向レーザビームを投射することによって形成される第２の領域であり、前記横方向レーザビーム投射部が前記溶接接合部の前記第１の領域の前記第１の端部と相互に作用しかつ影響を及ぼす、第２の領域と
を備えた溶接接合部。
【請求項２０】
前記溶接接合部の前記第１の端部と反対の前記第１の領域の第２の端部と接触する第３の領域であって、前記第３の領域が、前記アーク投射部によって取り囲まれた第２の横方向レーザビーム投射部を生成するために、前記加工物のうちの第２のものの前記隣接する表面上へと第２の横方向レーザビームを投射することによって形成され、前記第２の横方向レーザビーム投射部が前記溶接接合部の前記第１の領域の前記第２の端部と相互に作用しかつ影響を及ぼす、第３の領域をさらに備える、請求項１９記載の溶接接合部。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体として溶接方法に関する。より詳しくは、本発明は、レーザビーム溶接及びアーク溶接が同じ溶接プール内で同時に起きるハイブリッドレーザアーク溶接技術を利用する溶接プロセスに向けられ、そこでは、１以上の横方向レーザビームは、得られる溶接接合部の横方向端部に沿った溶接ビードトーのところでの平滑な移行を促進させることができる。
【背景技術】
【０００２】
低熱入力溶接プロセス、及び特に、溶接条件の狭い範囲で動作するレーザビーム溶接及び電子ビーム溶接（それぞれ、ＬＢＷ及びＥＢＷ）などの高エネルギービーム溶接プロセスは、ターボ機械中で使用される合金を含むがこれに限定されない多種多様な材料において無クラック溶接接合部を生成するためにうまく使用されてきている。高エネルギービーム溶接プロセスの長所は、高エネルギー密度の収束レーザビーム又は収束電子ビームが最小の溶接金属体積の深くて狭い溶接ビードを生成することが可能であり、アーク溶接プロセスなどの他の溶接技術と比較して、ほんのわずかしか重量を増加させず、しかもほとんど成分を変化させない構造的な突合せ溶接接合部の形成を可能にすることである。レーザビーム溶接に特に関連するさらなる長所は、電子ビーム溶接にとって通常は必要である真空チャンバ又は放射線遮蔽を用いずに実行される能力を含む。結果として、レーザビーム溶接は、電子ビーム溶接と比較したときに、より低コストで、より生産性の高い溶接プロセスであり得る。
【０００３】
フィラー材料がある種の用途及び溶接条件のために使用されてきているが、レーザビーム溶接プロセス及び電子ビーム溶接プロセスは、典型的には、自溶的に（追加のフィラー金属を追加しないで）実行される。高エネルギービームを、溶接しようとする表面、例えば、溶接しようとする２つの構成部品間の界面（溶接シーム）上に収束させる。溶接中には、表面は、十分に加熱されて金属の一部を蒸発させ、キャビティ（「キーホール」）を作り、キャビティはキャビティを囲む溶融した材料によってその後埋められる。レーザビーム溶接における比較的最近の大きな進展は、高出力固体レーザの開発であり、本明細書において規定されるように、４ｋＷよりも大きな出力レベル、特に８ｋＷ以上の出力レベルを含む。特定の例は、ディスク形状のイッテルビウム酸化物（Ｙｂ２Ｏ３）を使用する固体レーザ（Ｙｂ：ＹＡＧディスクレーザ）又はファイバ内の内部コーティングとして使用する固体レーザ（Ｙｂファイバレーザ）である。これらのレーザは、効率及び出力レベルを大きく増加させること、例えば、ほぼ４ｋＷ〜２０ｋＷ以上増加させることが可能であることが知られている。
【０００４】
ハイブリッドレーザアーク溶接（ＨＬＡＷ）は、レーザハイブリッド溶接としても知られ、レーザビーム溶接技術とアーク溶接技術とを組み合わせるプロセスであり、その結果、両方の溶接プロセスが同じ溶融した溶接プール内で同時に起きる。ＨＬＡＷプロセスの一例が、２つの加工物１６及び１８の接合させる表面１２及び１４間に突合せ溶接接合部１０を生成するために実行されるように図１及び図２に模式的に表される。図１から明らかなように、レーザビーム２０は、加工物１６及び１８の隣接する表面２４に垂直に向けられ、一方で、アーク溶接プロセスの電気アーク２２及びフィラー金属（図示せず）は、後ろに（後方に）設置され、加工物表面２４上のレーザビーム２０の焦点２６に向けて前方に角度を付けられる。アーク溶接プロセスを、例えば、ガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ、金属不活性ガス（ＭＩＧ）溶接としても知られる）又はガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ、タングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接としても知られる）とすることができ、加工物表面２４上へと投射されるアーク投射部２８と本明細書中では呼ばれるものを生成する。後方位置のアーク溶接プロセスは、「前進」溶接技術とも呼ばれ、得られるアーク投射部２８は、レーザビーム２０の焦点２６を取り囲むように示される。レーザビーム２０及び電気アーク２２によって生成される結果として得られる溶融溶接プール（図示せず）は、アーク投射部２８の内部に一般に位置する、又はアーク投射部２８よりもわずかに大きい。
【０００５】
ＨＬＡＷプロセスの利点は、溶接部侵入の深さを増加させる能力及び／又は溶接プロセス移動速度を増加させることによって、例えば、従来型のアーク溶接プロセスよりも４倍程度早くすることにより生産性を増加させる能力を含む。発電用途において使用される風力タービン塔の建設を含む様々な構成部品及び構造の製造、並びに航空宇宙用途、インフラストラクチャ用途、医療用途、産業用途、等を含む多種多様な他の用途向けの構成部品及び構造の製造の際に使用されるニッケル系合金、鉄系合金、コバルト系合金、銅系合金、アルミニウム系合金、及びチタン系合金を含む様々な材料を溶接するときに、これらの利点を得ることができる。
【０００６】
レーザビーム溶接が上記のような利点を有することが知られているとはいえ、ある種の材料を溶接するときに限界が生じることがある。非限定的な例として、ニッケル系超合金中に形成される溶融溶接プールは、軟鋼、ステンレス鋼、及び低合金鋼などの他の金属材料よりも低い流動性及び濡れ性の低下を示す傾向がある。この「不活発さ」が、得られる溶接接合部中の欠陥、例えば、溶接ビードトー又は簡単に溶接トーと本明細書中では呼ばれる溶接ビードの領域内のオーバーラップ欠陥をもたらすことがある。図３及び図４は、ＨＬＡＷプロセスによって生成され、不規則な横方向端部によって特徴付けられるオーバーラップ溶接欠陥を有する溶接ビードを示す画像である。図３及び図４から明らかなように、溶接ビードによって一緒に溶接される構成部品の隣接する母材と重なり合い、溶接ビードと母材との間の移行領域を画成する溶接トーによって、溶接ビードの不規則な端部が画成される。
【０００７】
ＨＬＡＷプロセスによって生成される溶接接合部内の不規則な溶接トーを減少させること又は削除することは、周期的な動作を受ける構成部品についての長寿命を実現する観点から特に有利であるはずである。商業的な一例は、風力タービン塔の製造であり、その製造は、塔の非常に長く厚い断面を接合するために突合せ溶接接合を必要とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／０２４３６２１号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、ＨＬＡＷ（ハイブリッドレーザアーク溶接）技術を利用する溶接方法及び溶接装置を提供し、この技術では、レーザビーム溶接及びアーク溶接が、溶融溶接プールを生成するために同時に利用される。本溶接方法及び溶接装置は、得られる溶接接合部の横方向端部を画成する溶接トーにおける平滑な移行を促進させることが可能であり、溶接プールが比較的低い流動性及び濡れ性を示す材料から形成される比較的厚い断面を溶接するために特に適している。
【００１０】
本発明の一態様によれば、溶接方法は、加工物の接合面が互いに向かい合い接合領域がその間に画成されるように、２以上の加工物を一緒に設置するステップを含む。第１のレーザビームは、次に、加工物の隣接する表面上に第１のレーザビーム投射部を生成し、第１のレーザビーム投射部を接合領域に沿って移動させかつ接合領域に侵入させるために、接合領域上へと投射される。それに加えて、電気アークは、第１のレーザビーム投射部を取り囲みかつ接合領域に沿って第１のレーザビーム投射部とともに移動するアーク投射部を生成するために、加工物の隣接する表面上へと向けられる。第１のレーザビーム投射部及びアーク投射部は、接合領域内に溶接接合部を形成するように固化することが可能な溶融溶接プールを形成する。一対の横方向レーザビームは、アーク投射部によって取り囲まれかつ第１のレーザビーム投射部の後ろの接合領域に沿ってアーク投射部とともに移動する横方向レーザビーム投射部を生成する。横方向レーザビーム投射部は、溶融溶接プールの横方向端部を画成する溶融溶接プールの一部と相互に作用しかつ影響を及ぼす。溶融溶接プールは、その後、接合領域内に溶接接合部を形成し、溶接した組立品を作るために加工物を金属接合するために冷却される。本発明の好ましい態様によれば、溶接接合部は、一様な横方向端部及び平滑な溶接トーを有し、一様な横方向端部を画成する。
【００１１】
本発明の別の一態様によれば、溶接装置は、加工物の隣接する表面上に第１のレーザビーム投射部を生成し、第１のレーザビーム投射部を接合領域に沿って移動させかつ接合領域に侵入させるために、２以上の加工物間の接合領域上へと第１のレーザビームを投射するための手段を含む。本装置はまた、接合領域内に溶接接合部を形成するように固化することが可能な溶融溶接プールを形成するために、第１のレーザビーム投射部を取り囲みかつ接合領域に沿って第１のレーザビーム投射部とともに移動するアーク投射部を生成するために、加工物の隣接する表面上へと電気アークを向けるための手段を含む。それに加えて、本装置は、アーク投射部によって取り囲まれ、接合領域に沿いかつ第１のレーザビーム投射部の後ろでアーク投射部とともに移動し、接合領域から横方向に離れて間隔を空けて設置される横方向レーザビーム投射部を生成するために、一対の横方向レーザビームを投射するための手段を含む。
【００１２】
本発明の好ましい態様によれば、ハイブリッドレーザアーク溶接プロセスは、溶接ビード形成を制御するため、かつ特に、溶接ビードの溶接トー内の欠陥の発生を防止する又は少なくとも低減させるために横方向レーザビームを利用する。電気アーク及び第１のレーザビームは、溶融溶接プールを生成するために主に関与し、一方で、横方向レーザビームを、溶接プールの横方向端部の近くに収束させる。さらにその上、横方向レーザビームは、溶接アークに十分に近く十分な出力のものであり、その結果、溶接プール及びその得られる溶接ビードは、横方向レーザビームによって影響されて、溶接トーが好ましくは平滑であり、かつ横方向端部が好ましくは一様である溶接接合部を生成する。
【００１３】
本発明の他の態様及び長所は、以下の詳細な説明からより良く認識されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】一緒に突き合せられ、従来技術によるハイブリッドレーザアーク溶接プロセスを受ける２つの加工物のそれぞれ側面図及び平面図を示す模式図である。
【図２】一緒に突き合せられ、従来技術によるハイブリッドレーザアーク溶接プロセスを受ける２つの加工物のそれぞれ側面図及び平面図を示す模式図である。
【図３】図１及び図２に示すタイプのハイブリッドレーザアーク溶接プロセスによって生成された溶接接合部の、それぞれ、平面図及び断面図を示す画像である。
【図４】図１及び図２に示すタイプのハイブリッドレーザアーク溶接プロセスによって生成された溶接接合部の、それぞれ、平面図及び断面図を示す画像である。
【図５】一緒に突き合せられ、本発明の実施形態によるハイブリッドレーザアーク溶接プロセスを受ける２つの加工物の、それぞれ、側面図及び平面図を示す模式図である。
【図６】一緒に突き合せられ、本発明の実施形態によるハイブリッドレーザアーク溶接プロセスを受ける２つの加工物の、それぞれ、側面図及び平面図を示す模式図である。
【図７】図５及び図６に示すハイブリッドレーザアーク溶接プロセスにおいて使用するために適したレーザ溶接装置の模式図である。
【図８】実験のハイブリッドレーザアーク溶接プロセスによって生成された溶接接合部の断面図を示す画像である。
【図９】実験のハイブリッドレーザアーク溶接プロセスによって生成された溶接接合部の断面図を示す画像である。
【図１０】実験のハイブリッドレーザアーク溶接プロセスによって生成された溶接接合部の断面図を示す画像である。
【図１１】実験のハイブリッドレーザアーク溶接プロセスによって生成された溶接接合部の断面図を示す画像である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図５及び図６は、本発明の実施形態によるハイブリッドレーザアーク溶接（ＨＬＡＷ）プロセスにおいて複数のレーザビームを利用する溶接プロセスを表す。特に、本プロセスは、レーザビーム溶接技術及びアーク溶接技術を組み合わせ、その結果、両方の溶接プロセスが同じ溶融溶接プール内で同時に起きる。図５及び図６に模式的に示すように、溶接プロセスを、２つの加工物３６及び３８の接合面３２及び３４間に突合せ溶接接合部３０を生成するために実行することができ、溶接した組立品を形成することができるが、本プロセスが、突合せ溶接接合に限定されずに、任意の数の加工物を一緒に溶接することができることを、理解すべきである。各接合面３２及び３４は、加工物３６及び３８のうちの一方の隣接する表面４０と接触する。各加工物３６及び３８の反対側の対応する表面５０とともに、加工物表面４０は、加工物３６及び３８の板厚を規定する。
【００１６】
本発明は、様々なアーク溶接プロセス、例えば、非消耗タングステン電極を使用するガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ、又はタングステン不活性ガス（ＴＩＧ））、及び堆積させるべき溶接合金で形成された消耗電極を使用するガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ、又は金属不活性ガス（ＭＩＧ））を含むガスシールドアーク溶接を使用することができる。これらの溶接技術は、電極と溶接しようとする基板との間に十分な電圧を印加することを含み、これらの間に電気アークを発生させる。ＧＴＡＷ技術の電極が消費されないために、適切なフィラー合金のワイアを、アーク中へと供給しなければならず、そこではワイアが溶融し、基板表面上へと堆積する金属液滴を形成する。対照的に、ＧＭＡＷ技術の消耗電極は、オーバーレイ溶接用のフィラー材料の供給源として働く。様々な材料をフィラー材料として使用することができ、好ましい材料は、加工物３６及び３８の組成及び目的とする用途に依存する。例えば、溶接接合部３０におけるクラック発生の傾向を低下させるために、延性フィラーが好まれることがある、又は加工物３６及び３８の所望の特性を大体は維持するために、化学的性質が加工物３６及び３８の母材金属（又は複数の金属）とぴったりと一致するフィラーを使用することができる。
【００１７】
図５及び図６において採用したレーザ溶接プロセスは、レーザビーム４２、４４及び４６のうちのいずれか１つ又は複数の光源として１以上の高出力レーザを好ましくは利用する。好まれる高出力レーザは、ディスク形状のイッテルビウム酸化物（Ｙｂ２Ｏ３）を使用する固体レーザ（Ｙｂ：ＹＡＧディスクレーザ）又はファイバ内の内部コーティングとしてイッテルビウム酸化物を使用する固体レーザ（Ｙｂファイバレーザ）を含むと考えられている。高出力レーザ溶接プロセス用の典型的なパラメータは、４ｋＷまでの、例えば、８ｋＷ及びおそらくそれ以上の出力レベル、並びに約３００〜約６００μｍの範囲内のレーザビーム直径を含む。動作のパルスモード又は連続モード、及び移動速度などの他の適した動作パラメータを、過度の実験を行わずに確認することができる。（１つ又は複数の）レーザの制御を、任意の適切なロボット機械又はＣＮＣガントリシステムを用いて実現することができる。本技術において既知のレーザビーム溶接プロセス及び装置と矛盾なく、レーザビーム４２、４４及び４６は、真空又は不活性雰囲気を必要としないが、プロセスは、シールドガス、例えば、不活性シールドガス、活性シールドガス、混合シールドガスを形成するためのこれらの組み合わせを好ましくは使用する。
【００１８】
図５及び図６には表されていないが、加工物３６及び３８の接合面３２及び３４間にシムを与えることは、本発明の範囲内である。溶接接合部３０用の充填金属を与えるため、及び／又は米国特許出願公開第２０１０／０２４３６２１号に記載されたような追加の利点、例えば、高出力レーザビーム溶接中のスパッタリング及び不連続性を減少させるために溶接キーホールを安定化させることを与えるために、シムを利用することができる。
【００１９】
図５に描かれたように、３つのレーザビーム４２、４４及び４６を、加工物表面４０に垂直な方向に好ましくは投射するが、加工物３６及び３８の隣接する加工物表面４０に対して約７０〜約１１０度の角度でレーザビーム４２、４４及び４６を投射することができることが、予見される。例えば、レーザビーム４２、４４及び４６を、ある用途において使用する加工物表面４０に対して傾けることができ、レーザヘッド寿命を長くするためにレーザビーム反射を緩和し、溶融したプール（図示せず）からのスパッタリングを減少させる。アーク溶接プロセスの電気アーク４８及びフィラー金属（図示せず）を、後ろに（後方に）設置し、加工物表面４０上にビーム投射部５２を生成するレーザビーム４２の焦点に向かって前方に角度を付ける。アーク溶接プロセスは、レーザビーム４２のビーム投射部５２を取り囲む加工物表面４０上のアーク投射部５８、並びにレーザビーム４４及び４６のビーム投射部５４及び５６を生成する。レーザビーム４２、４４及び４６並びに電気アーク４８によって生成される結果として得られる溶融溶接プールは、一般にアーク投射部５８の内部にある、又はアーク投射部５８よりもわずかに大きい。
【００２０】
図５及び図６に基づいて、ハイブリッドレーザアーク溶接プロセスは、順番に実行される複数の溶接ステップを含み、プロセスの最初がレーザビーム４２によって実行され、好ましくは比較的深く侵入する溶接部を作る。レーザビーム投射部５２及びアーク投射部５８の中心６０は、接合面３２もしくは３４（又はこれらの間の何らかのギャップ）によって及びその間に画成される接合領域と一致する線６２上へと投射されるように表される、ところが、横方向レーザの投射部５４及び５６は、接合領域（接合面３２及び３４）から横方向に離れて間隔を空けて設けられる。組み合わせでは、レーザビーム４２及び電気アーク４８が、主溶接効果を生成するように意図され、レーザビーム４２及び電気アーク４８の組み合わせ効果によって完全には作られない場合には、溶融溶接プール並びに加工物３６及び３８を金属接合する結果として得られる深く侵入する溶接接合部３０が、支配的であることを意味する。所望の溶融溶接プールを作るために、レーザビーム４２の投射部５２の中心点及び電気アーク４８のアーク投射部５８の中心６０は、溶接しようとする接合部に沿って約２〜約２０ｍｍの間離れる、より好ましくは約５〜約１５ｍｍの間離れるべきである。レーザ出力損失を緩和し、アーク中での金属移動を妨げないために、レーザビーム４２を、アークに対して最小の間隔に保たなければならない。それに加えて、例えば、２０ｍｍよりも大きな広すぎる間隔は、レーザビーム４２と電気アーク４８との相乗作用を失うことがある。例えば、１ｃｍ以上の厚い断面に侵入させるために、レーザビーム４２を、約２ｋＷ以上、好ましくは約４ｋＷ以上、より好ましくは約８ｋＷ以上の出力レベルで好ましくは発生する。適した上限は、１ｃｍよりも厚い厚さを有する加工物表面４０に対しては約２０ｋＷであると考えられる。レーザビーム４２の出力を増加させることによって、さらに安定なキーホール（加工物表面４０の側面が溶融プールの各辺上で溶融してなくなるときに形成される結果として得られる孔）を、実現することができ、したがって、厚い材料に、レーザハイブリッド溶接を用いて１回パスで完全に侵入させることができる。対照的に、レーザビーム４４及び４６は、加工物３６及び３８の板厚方向には意図的には侵入せず、その代わりに、先頭のレーザビーム４２及び電気アーク４８によって形成される溶融溶接プールと相互に作用することを意図している。この理由のために、レーザビーム４４及び４６を、レーザビーム４２よりも低い出力レベルで動作させることができる。レーザビーム４２、４４と４６及び電気アーク４８の投射部５２、５４、５６と５８を、図５に示すように溶接方向に、好ましくは一体としてすべて同時に移動させる。
【００２１】
図５及び図６に表されたタイプの溶接プロセスは、風力タービン塔の建設を含む発電用途において使用される様々な構成部品、並びに航空宇宙用途、インフラストラクチャ用途、医療用途、産業用途、等を含む多種多様な他の用途向けの構成部品を製造するケースであるような、例えば、１ｃｍ以上の比較的厚い断面を溶接することを必要とする構成部品を製造するために特に好適である。加工物３６及び３８を、鋳造品、製作品、又は粉末冶金型枠とすることができ、様々な材料で形成することができ、その非限定的な例は、ニッケル系合金、鉄系合金、コバルト系合金、銅系合金、アルミニウム系合金、及びチタン系合金を含む。しかしながら、軟鋼、ステンレス鋼、及び低合金鋼、その顕著な例として挙げられるニッケル系超合金、よりも低い流動性及び濡れ性の低下を示す材料から形成された加工物を溶接するときに、本発明に関係するある種の長所が特に役に立つ。特に、追加のレーザビーム４４及び４６を好ましくは利用し、その結果、溶接接合部３０をもたらす溶融した溶接部が固化する前に、レーザビーム４４及び４６のそれぞれの投射部５４及び５６を、先頭のレーザビーム４２及び電気アーク４８によって作られ一時的に維持される溶融溶接プールの横方向端部６４の近くに又はその上に投射する。より詳しくは、レーザビーム投射部５４及び５６は、溶接接合部３０の最外周の横方向端部３０Ｂを画成する溶接トー３０Ａの内部に平滑化効果を持たせる目的で、溶融溶接プールの横方向端部６４を画成する溶融した溶接材料を混合し、かき混ぜるように働く。かかる効果は、周期的な動作を受ける場合に、溶接接合部３０に対する長寿命化を促進させることを意図している。追加のレーザ投射部５４及び５６の所望の効果が、溶融溶接プール上に投射されるさらに多くのレーザビームの存在において得られ、したがって、本発明は、図５及び図６に示す３つのレーザビーム４２、４４及び４６を利用することを目的とするが、これらを使用することに限定されないことに、留意すべきである。
【００２２】
溶接接合部３０の横方向端部３０Ｂにおける上記の平滑化効果を実現するために、レーザビーム４２、４４及び４６の出力レベル並びにそれらの投射部５２、５４及び５６の直径及び配置を、好ましくは制御する。前に述べたように、加工物３６及び３８の板厚方向に侵入させるために、先頭のレーザビーム４２を追加のレーザビーム４４及び４６よりも高い出力レベルで好ましくは発生する。溶接接合部３０の各溶接トー３０Ａの内部で及び各横方向端部３０Ｂに沿って同様の平滑化効果を実現するために、追加のレーザビーム４４及び４６を、同じ出力レベルで好ましくは発生し、これらの投射部５４及び５６の直径は、好ましくは同じである、又は互いに少なくとも５０パーセントの範囲内である。一方で、先頭のレーザビーム４２は、典型的には、レーザビーム４４及び４６のいずれよりも少なくとも２００パーセント高い、より好ましくは約４００〜１０００パーセント高い出力レベルであり、これは、レーザビーム４４及び４６が加工物３６及び３８に侵入しないことを確実にすることを意図している。しかしながら、レーザビーム４２、４４及び４６についての最適な出力レベル、並びにこれらそれぞれについての投射部５２、５４及び５６の最適な直径は、溶接する個々の材料及び溶接プロセスに影響を及ぼし得る他の要因に依存するであろうことを、理解すべきである。
【００２３】
投射部５４及び５６の配置を、電気アーク４８の投射部５８に関連して好ましくは制御する。レーザビーム投射部５４及び５６と先頭のレーザビーム投射部５２との間の横方向オフセット距離（溶接方向に垂直）は、図６では「ｄ１」及び「ｄ２」によって示され、レーザビーム投射部５４及び５６と投射部５８の中心６０との間の縦方向オフセット距離（溶接方向に平行）は、図６では「ｄ３」及び「ｄ４」によって示される。２つの投射部５４及び５６に関係する距離ｄ１及びｄ２が同じであるように表しているが、これらの距離の一方又は両方が投射部５４及び５６の間で異なり得ることが予見される。さらにその上、投射部５４及び５６がアーク投射部５８の中心６０を通る横方向線６６の、それぞれ前方及び後方であるように表されているが、投射部５４及び５６の一方もしくは両方が、横方向線６６の前方もしくは後方に、又は横方向線６６の直接上にあり得ることが予見される。ｄ１、ｄ２、ｄ３及びｄ４によって示した投射部５４及び５６のオフセット距離を各々、投射部５４及び５６が溶接プールの横方向端部６４と相互に影響し合うことを可能にする任意の距離とすることができる。実際には、特に適したオフセット距離ｄ１、ｄ２、ｄ３及びｄ４は、投射部５４及び５６の位置を投射部５８の中心６０から１０ｍｍの範囲内に配置する距離になることが、見出されている。
【００２４】
レーザビーム４２、４４と４６の出力レベル並びにこれらの投射部５２、５４と５６の直径及びこれらの間の距離（ｄ１、ｄ２、ｄ３及びｄ４）を、別々のレーザビーム発生器で各レーザビーム４２、４４と４６を発生することによって、又は１つもしくは複数のレーザビームを分割することによって、制御し調節することができる。３つの平行なビーム４２、４４及び４６を生成するために、３個の別々のレーザビーム発生器を近くに配置することの困難さの観点から、一次レーザビームを分割することによって別々のレーザビーム４２、４４及び４６を発生することが好まれる。したがって、図７は、一次レーザビーム７４を発生するために単一の高出力レーザを利用する装置７０を表し、一次レーザビームは、次に適切なビームスプリッタ７６（例えば、プリズム）によって分割されて、先頭のレーザビーム及び横方向レーザビーム４２、４４及び４６を作る。スプリッタ７６はまた、接合面３２及び３４によって画成される接合領域に沿って及びこれに関係してビーム４２、４４及び４６を整列させ、間隔を空けて設置するように働くことができ、ビーム４２、４４及び４６が互いに平行であり加工物３６及び３８の表面４０に垂直になるように向けるように働く。先頭のレーザビーム４２を加工物３６及び３８に深く侵入させるために高い出力レベルになるようにするという理由で、一次レーザビーム７４の多くの部分が、先頭のレーザビーム４２を生成するために利用されることを意味し、一次レーザビーム７４の少ない部分が横方向レーザビーム４４及び４６を生成するために利用されることを意味する。非限定的な一例として、４ｋＷレーザ発生器７２を採用する場合には、スプリッタ７６を、約２ｋＷの出力レベルで先頭のレーザビーム４２並びに約１ｋＷの出力レベルで２つの横方向ビーム４４及び４６の各々を生成するために使用することができるはずである。もう１つの例として、８ｋＷレーザ発生器７２を採用する場合には、スプリッタ７６を、約６ｋＷの出力レベルで先頭のレーザビーム４２並びに約１ｋＷの出力レベルで２つの横方向ビーム４４及び４６の各々を生成するために使用することができるはずである。
【００２５】
レーザビーム投射部５２、５４及び５６間の最適な間隔は、それらの相対的な出力レベル及び個々の用途に依存する。しかしながら、本発明に至るまでの実験は、横方向レーザビーム４４及び４６の出力レベル並びにアーク投射部５８の内部の溶融溶接プールの横方向端部６４に近接するこれらの投射部５４及び５６の配置の重要性を証明した。このために、ステンレス鋼３０４Ｌで作られた試料上に溶接ビードを生成するために、ＭＩＧ溶接機及び１つの横方向ビームを動作させた、一連の予備実験を実行した。すべての予備実験についての溶接速度は、毎分６０インチ（約１５０ｃｍ）であった。得られる溶接ビードの反対側において溶接トーと横方向端部との間の対比を与えるために、１つの横方向ビーム（ビーム４４及び４６のうちの一方に対応する）を予備実験では利用した。ＭＩＧ溶接機を、約２５Ｖの電圧及び約１６０Ａの溶接電流を含んだ条件で動作させ、これは約４ｋＷのアーク出力をもたらす。溶接プロセスにおいて使用した電極を、ステンレス鋼フィラー金属ＥＲ３０８Ｌで形成した。横方向レーザビーム投射部（図６中の５４又は５６に対応する）は、２ｍｍ未満の直径を有した。横方向ビームの投射部を、アーク投射部（図６中の５８に対応する）の内部の溶融溶接プールの中心（図６中の６０に対応する）の前方の約５ｍｍの距離に維持し、その出力レベル及び溶融溶接プール（アーク投射部）の中心からの横方向距離（図６中のｄ１に対応する）の両方を、予備実験においては変数として使用した。
【００２６】
図８は、横方向レーザビームが約２ｋＷの出力レベルであり、その投射部がＭＩＧ溶融溶接プールの中心から約４．５ｍｍに置かれた第１の予備実験の結果を表す。図８は、相互作用が電気アークによって生成された溶接ビードと横方向レーザビームによって生成されたより深い溶接ビードとの間には生じなかったこと、並びに電気アークによって形成された結果として得られた溶接トー及び溶接ビードの横方向端部が、それぞれ粗く不規則であったことを証明する。その結果、横方向ビーム投射部が得られる溶接ビードに何らかの影響を与えるためには、ＭＩＧ溶融溶接プールに十分には近くないことが結論された。
【００２７】
図９は、横方向ビームが再び約２ｋＷの出力レベルであったが、その投射部がＭＩＧ溶融溶接プールの中心から約２．５ｍｍに置かれた第２の予備実験の結果を表す。図９は、著しい相互作用が横方向レーザビームと電気アークとによって生成された溶接ビード間に生じたこと、並びにレーザビーム及び電気アークの組み合わせ効果によって形成される溶接ビードの領域が結果としてもたらされることを証明する。この予備実験では、横方向レーザビーム投射部に隣接する溶接ビードの得られる溶接トー及び横方向端部は、特に溶接ビードの反対側の溶接トー及び横方向端部に対して、それぞれ平滑であり一様であった。その結果、横方向ビーム投射部が得られる溶接ビードについて役に立つ効果を有するように溶融溶接プールに十分に近かったことが結論された。
【００２８】
図１０に示す第３の予備実験では、横方向ビーム投射部が再びＭＩＧ溶融溶接プールの中心から約２．５ｍｍに置かれたが、その出力レベルを約１ｋＷまで低下させた。図１０は、著しい相互作用が横方向レーザビームと電気アークとによって生成された溶接ビード間に依然として生じたこと、並びに横方向レーザビーム投射部に隣接する溶接ビードの得られる溶接トー及び横方向端部が、特に溶接ビードの反対側の溶接トー及び横方向端部に対して、それぞれ平滑であり一様であったことを証明する。その結果、横方向ビーム投射部が、得られる溶接ビードについての役に立つ効果を有するように溶融溶接プールに十分に近く、十分な出力レベルであったことが再び結論された。
【００２９】
図１１に示す第４の予備実験では、横方向ビーム投射部がＭＩＧ溶融溶接プールの中心から約２．５ｍｍに置かれたが、その出力レベルを約０．５ｋＷまで低下させた。図１１は、相互作用が横方向レーザビームと電気アークとによって生成された溶接ビード間には生じなかったこと、並びに得られた溶接ビードの得られた溶接トー及び横方向端部が、それぞれ粗く不規則であったことを証明する。その結果、横方向ビーム投射部が得られる溶接ビードについての何らかの著しい影響及び役に立つ影響を有するためには、溶融溶接プールに十分には近くないこと及び／又はその出力レベルが低過ぎたことが結論された。
【００３０】
使用した個々の試験条件下では、溶接接合部の溶接トーが平滑であり、その横方向端部が一様である溶接接合部を生成するためには、横方向レーザビーム（４４／４６）をアーク投射部の横方向端部に対して比較的近くに、例えば、横方向端部の２．５ｍｍ以内の間隔を空けて設置すべきであり、約１ｋＷ以上の出力レベルであるべきであることが結論された。
【００３１】
本発明を好ましい実施形態の観点から説明してきているが、他の形式が当業者によって採用され得ることは明らかである。したがって、本発明の範囲は、別記の特許請求の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００３２】
１０  接合部
１２  表面
１４  表面
１６  加工物
１８  加工物
２０  ビーム
２２  アーク
２４  表面
２６  点
２８  投射部
３０  接合部
３０Ａ  トー
３０Ｂ  端部
３２  表面
３４  表面
３６  加工物
３８  加工物
４０  表面
４２  ビーム
４４  ビーム
４６  ビーム
４８  アーク
５０  表面
５２  投射部
５４  投射部
５６  投射部
５８  投射部
６０  中心
６２  線
６４  端部
６６  線
７２  レーザ
７４  ビーム
７６  スプリッタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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